水下爆破冲击波作用下的鱼类损伤及生态防护研究

朱 泰，邸凌杰

(1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074;2.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

在航道整治工程中，尤其在礁石量巨大的山区航道中，需要采用施工效率较高的水下爆破方式对碍航礁石进行清除以保证航道的安全通航能力[1]。但是爆破清礁会对河流生态环境造成严重影响，主要是其产生的冲击波会导致附近鱼类的损伤[2-3]。而国内这方面研究较少，适用于实际工程的鱼类安全临界指标还不明确，无法判断爆破对鱼类的具体影响范围。所以，为进一步贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时代水利工作方针和党的十九大生态文明建设精神[4]，切实解决水利工程存在的生态问题，开展水下爆破冲击波作用下的鱼类损伤及生态防护研究具有重要的现实意义，是发展生态环保、实现可持续发展的必然要求。

1 水下爆破冲击波对鱼类的损伤研究

1.1鱼类损伤机理

冲击波会导致爆破中心周边产生瞬间的高压，并以波的形式向外传递。由于鱼体的密度与水的密度相似，冲击波通常会直接穿过鱼体进行传递。当冲击波产生的超高压与超低压交替产生的振动传递到鱼体内的空气腔时，由于空气具有很强的可压缩性，空气腔壁可能在压力作用下产生严重形变，进而导致其撕裂或破碎[5]。笔者对爆破现场的死亡鱼类进行了解剖检验，主要对鱼类的鱼鳔等内脏进行了观测(如图1所示)，结果表明，只有少数爆破中心附近的鱼体表受到明显创伤，大多数被水下爆破杀死的鱼体色正常，体表完整无擦伤，但内脏表面通常呈淡绿色或绿色液体，胆囊破裂，鱼鳔破裂，部分鱼的脑血管明显充血(死亡鱼类的损伤情况如图2所示)。

图1 实验鱼类及鱼鳔示意

图2 实验鱼类损伤示意

1.2 鱼类损伤特征

现场观测试验表明，冲击波会导致鱼类产生以下反常的特征状态。

1) 行为特征：水下爆破冲击波会大大降低鱼类的游动能力，使其行动缓慢麻木，甚至死亡，有些鱼会失去平衡，腹部向上或侧向在水面游动，可能是由于神经系统受损。

2) 解剖特征：水下爆破冲击波会导致鱼类内脏器官损伤出血甚至破碎。鱼鳔是最容易受到损伤的器官，除此之外，还有肝、胆、脾、肾等内脏器官。

3) 生理特征：研究表明鱼类的激素水平、体温、血压等指标均可能受水下爆破冲击波的影响产生变化[6]，具体影响程度还有待研究。

1.3 鱼类死亡率的影响因素

在水下爆破冲击波作用下，影响鱼类死亡率的因素主要有以下几个方面。

1) 冲击波压力

研究发现死亡率随着爆心距的增大而逐渐减小。尚龙生等人[7]曾对生命力较强的鲫鱼和鲇鱼进行了4 kg硝铵炸药水下爆炸试验，结果显示，距离爆炸中心20 m以内的鱼类100%当场死亡；距离爆炸中心40 m左右的鱼类33%当场死亡；距离爆炸中心50 m以外的鱼基本没有死亡。Keevin等人[8]曾选择蓝鳃太阳鱼进行了两组小药量的水下爆破实验，结果显示，鱼类在距离爆破中心35 m以内时，基本全部死亡；在距离45 m以外时，基本不受爆破影响。这种鱼类损伤程度随距离的增加而减弱的规律完全符合冲击波峰值压力随距离递减的传播特征[9-11]。因此可知，冲击波对鱼类的致死率与其峰值压力呈正相关关系。不同冲击波压力作用下的鱼类损伤情况见表1。

表1 不同冲击波压力下鱼类损伤情况

2) 鱼群种类

蒋玫等[12]曾选择梅童、白姑鱼和鮸鱼等石首科鱼类进行水下爆破作用下的死亡率观测试验，并与其他鱼类进行对比。结果显示，在水下冲击波压力为0.058 MPa的情况下，对爆破冲击波较为敏感的石首科鱼类100%当场死亡；而其他科属鱼类在冲击波压力分别为0.293 MPa、0.075 MPa、0.058 MPa的情况下，在24 h后的死亡率分别约为20%、10%、3%。因此，冲击波对鱼类的致死率存在明显的种间差异。

导致这种差异的主要因素是不同鱼类的内脏生理结构不同。石首科鱼类由于具有耳石，因此对冲击波压力更加敏感。对于大部分鱼类，最容易受到冲击波损伤的器官就是充满空气的鱼鳔，因此，无鳔鱼类和鱼鳔较小的鱼类一般具有有较强的抵抗爆破冲击的能力。而鱼鳔较大、鱼鳔连接较为松散或鱼鳔壁较薄的鱼类更容易受到冲击波损伤[13]。此外，活动水域靠近水面的鱼类比深水鱼类更易受冲击波的作用导致损伤，这是因为冲击波在水面反射，可能对靠近水面的鱼类造成二次损伤[14]。

3) 个体大小

体重较轻的鱼类比体重较重的鱼类更容易在爆破中受到伤害[15]。相比较于大型幼鱼和成年鱼，幼鱼更容易受到水下爆破冲击波的影响，特别是有鱼鳔的幼鱼。

4) 约束状态

根据实测研究发现，处于自由状态的鱼类对水下爆破冲击波的承受能力要强于受约束状态的鱼类。这可能是由于自由状态的鱼类一般在礁石等掩蔽物周边活动，且在感受到爆破时做出一定躲避。而网箱养殖鱼类处于约束状态承受冲击波的全部作用，且应激反应使它们在鱼笼内乱窜[16]造成严重的损伤。同时，鱼笼中的水流紊动也会对鱼类造成伤害。

5) 死亡率的延迟性

对爆破实验后的鱼类死亡率进行统计，发现当场的死亡率较爆破后4 h以及24 h的致死率要低，即死亡率随爆破后时间的推移缓慢增加。这是因为鱼类受到冲击波影响后的体腔出血和器官破裂可能随时间的延续愈发严重甚至导致组织坏死，进而导致部分鱼类死亡。此外，鱼类器官损伤可能影响鱼类正常游泳活动或捕食活动，从而死亡。以鱼鳔为例，一旦鱼鳔受损，鱼类将无法完成在水中上浮、下沉或悬停的游泳行为，使其在捕获猎物和躲避捕食者方面可能处于严重的劣势，最终导致死亡。

2 水下爆破工程的生态防护研究

为了减轻冲击波对鱼类的损伤作用，保护工程周边的生态环境，需要对水下爆破工程的生态防护措施进行研究，主要有以下方面。

2.1 冲击波压力的生态安全控制

为了预防并减少水下爆破冲击波对鱼类的损伤，可以通过优化爆破施工设计以及采用微差钻孔爆破等先进工艺减少工程炸药量，控制爆破冲击波的峰值压力，从而实现鱼类的生态防护。研究表明，当冲击波压力在0.05 MPa以上时，会对部分鱼类造成损伤；在0.03 MPa以上时，可能对鱼类的神经系统造成影响[17]。因此，对于一般的内河航道工程，可以取0.03 MPa作为其生态安全临界压力值；如果工程周边有养殖场或产卵场，为确保安全可以取0.02 MPa作为其生态安全临界压力值。不同鱼类可承受的压力值见表2。

表2 不同鱼类的安全临界压力 MPa

2.2 鱼类的安全距离

为保护爆破工程水域的鱼类，在施工前可以对周边鱼群的位置进行调查并确定附近是否有鱼类产卵场、索饵场及越冬场，同时，对鱼类的生态安全距离进行估算。根据这些结果可以对工程方案进行生态安全优化设计，从将爆破影响范围内的生态危害降到最小，确保工程的生态防护效果。针对有鳔鱼类，现有安全距离的估算公式如下[18]：

(1)

式中R为安全距离，m；W为炸药的重量，kg；Wf为鱼的重量，kg；dw为爆破发生处的深度，m。

该公式的结果表示炸药在水深较浅的水域中爆破时约90%鱼类存活的大致距离。而现在水下爆破工程多采用钻孔爆破，相比于传统水下爆破工艺，释放到水体中的能量更少，因此，该公式的计算结果较为可靠。

对于不同炸药量工况下鱼卵和幼鱼的安全距离，加拿大渔业水域爆破物使用指南[19]中的规定见表3所示。

表3 不同炸药量下鱼卵及幼鱼的安全距离

2.3 生态安全防护设施

在冲击波峰值压力难以控制且鱼类安全距离得不到保证的情况下，可采用一些生态安全防护设施对鱼类进行保护。现阶段较为有效的设施便是气泡帷幕装置，即在水底安装与空气压缩机相连接的有孔钢管，产生大量气泡形成空气壁，通过气泡振荡、气泡压缩性、隔绝热传导以及气泡与水之间的粘滞力来降低水中冲击波的能量。本文对长江三峡水利枢纽工程下游泄水箱涵出口的水下爆破开挖工程中的气泡帷幕使用效果进行了研究(见表4所示)，由表4可见，冲击波压力在经过气泡帷幕时被削减了85%～95%，可以有效减少冲击波对周边鱼类及生态环境的有害影响。

表4 气泡帷幕前后冲击波压力对比

3 结语

水下爆破冲击波对生态环境具有严重的负面效应，其产生的超高压力会造成鱼类的鱼鳔等内脏器官损伤甚至死亡，因此需要对其进行生态安全防护。防护理念主要包括：① 将爆破冲击波压力控制在鱼类安全临界压力之下；② 根据鱼类的安全距离对工程进行生态优化设计；③ 安装气泡帷幕来减轻爆破工程的生态危害性。研究结果对于鱼类资源的保护具有积极意义，对航道的生态安全建设具有一定参考价值。